CAMPUS ARARANGUÁ
MESTRADO NACIONAL PROFISSIONAL EM ENSINO DE FÍSICA
Geison João Euzébio
Motores elétricos como ideia âncora para a organização sequencial no ensino de eletricidade e magnetismo
ARARANGUÁ 2019
Motores elétricos como ideia âncora para a organização sequencial no ensino de eletricidade e magnetismo
Dissertação submetida ao Programa de Pós-Graduação da Universidade Federal de Santa Catarina para a obtenção do título de Mestre em Ensino de Física.
Orientador: Prof. Dr. Fabrício de Oliveira Ourique
Araranguá 2019
Motores elétricos como ideia âncora para a organização sequencial no ensino de eletricidade e magnetismo
O presente trabalho em nível de mestrado foi avaliado e aprovado por banca examinadora composta pelos seguintes membros:
Prof. Marcia Martins Szortyka, Dra. Universidade Federal de Santa Catarina
Prof. Analúcia Schiaffino Morales, Dra. Universidade Federal de Santa Catarina
Prof. Evy Augusto Salcedo Torres, Dr. Universidade Federal de Santa Catarina
Certificamos que esta é a versão original e final do trabalho de conclusão que foi julgado adequado para obtenção do título de mestre em ensino de Física.
____________________________ Prof. Dra Marcia Martins Szortyka
Coordenadora do Programa
____________________________ Prof. Dr. Fabrício de Oliveira Ourique
Orientador
À Jéssica de Souza Nunes Euzébio, minha esposa, pelo companheirismo e motivação durante todas as etapas da execução do presente trabalho.
Aos meus pais, Rogério Euzébio e Sandra Fausto Euzébio, por todo apoio e suporte em toda a minha caminhada em busca do conhecimento.
Ao meu orientador Dr. Fabrício de Oliveira Ourique.
A todos os professores do Programa de Pós-Graduação da Universidade Federal de Santa Catarina (Araranguá).
A equipe de gestão da Escola de Educação Básica de Araranguá pelo incentivo na aplicação do estudo.
A todos os estudantes da turma do terceiro ano 07 da Escola de Educação Básica de Araranguá do ano de 2018.
À CAPES pelo apoio financeiro por meio da bolsa concedida.
A todos os colegas e amigos que contribuíram, direta ou indiretamente, para a construção desse trabalho com suas sugestões e conselhos.
O presente trabalho propõe a construção de um produto educacional na forma de uma sequência didática embasada na teoria da aprendizagem significativa de Ausubel e planejada para ser uma Unidade de Ensino Potencialmente Significativa (UEPS), respeitando os aspectos sequenciais elencados por Moreira para que o material instrucional seja de fato potencialmente significativo. O produto educacional elaborado utiliza motores elétricos como ideia âncora para a organização sequencial no ensino de eletricidade e magnetismo visando a contextualização dos conceitos. Para tal, quatro atividades experimentais que empregam materiais de baixo custo (pilhas, ímãs de neodímio, pregos e fios) foram idealizadas com o intuito de exemplificar o funcionamento de eletroímãs e motores elétricos, com foco na aplicabilidade dos conceitos ao analisar veículos elétricos. A UEPS construída foi aplicada na Escola de Educação Básica de Araranguá, pertencente a rede pública estadual, em uma turma de terceiro ano do ensino médio, totalizando onze semanas de aplicação, sendo um encontro semanal contendo duas aulas de quarenta e cinco minutos. A análise qualitativa dos dados coletados através de testes e grupo focal revela evidências que sugerem que a aprendizagem foi significativa para os estudantes e que o interesse pela disciplina de Física foi aumentado. Assim, proporcionando indícios da relevância da UEPS e da utilização de motores elétricos como ideia âncora na contextualização dos conceitos.
This paper proposes an educational product materialized in the form of a didactic sequence based on Ausubel's theory of meaningful learning. This didactic sequence was built to be a Potentially Meaningful Teaching Unit (PMTU) which follows the sequential aspects listed by Moreira, and these sequential aspects seek to guarantee that the PMTUs really reach their meaningfulness. The PMTU built on this study has electric motors as its anchor idea, and it is this anchor idea that directs the PMTU’s sequential organization in the contextualization and teaching of the concepts of electricity and magnetism. In order to be able to contextualize these two concepts cited above four experimental activities we carried out employing low cost materials (i.e. batteries, neodymium magnets, nails and wires); these experimental activities were designed to exemplify the operation of electromagnets and electric motors focusing on the applicability of the concept of electricity and of magnetism when analyzing electric vehicles. This PMTU was implemented in a 12th grade of a public state school in the city of Araranguá and its implementation lasted a total of eleven weeks. The implementation of this PMTU was distributed in weekly meetings of two forty-five minute sequential classes. The data was collected through questionnaires and a focus group. The qualitative analysis of the collected data suggests that a meaningful learning occurred and that the students’ interesting in Physics has increased. In sum, the results seem to point out to the relevance of the PMTU and the use of electric motors as the PMTU’s anchor idea for contextualization and teaching of the concepts electricity and magnetism.
Figura 1: Um mapa conceitual para a aprendizagem significativa de Ausubel...26
Figura 2 - Ilustração esquemática do funcionamento de um eletroímã...41
Figura 3 - Ilustração esquemática do funcionamento de um motor homopolar simples...43
Figura 4 - Motor homopolar...43
Figura 5 - Ilustração esquemática do funcionamento de um carro homopolar...44
Figura 6 - Ilustração esquemática do funcionamento de um trem homopolar...46
Figura 7 - Diário de classe referente ao 3º bimestre letivo do ano de 2018...51
Figura 8 - Diário de classe referente ao 4º bimestre letivo do ano de 2018...52
Figura 9 - Estudantes realizando a atividade experimental 1 (eletroímã)...57
Figura 10 - Estudantes confeccionando espiras com um fio rígido...58
Figura 11 - Estudantes realizando a atividade experimental 2 (motor homopolar)....59
Figura 12 - Publicação no modo histórias da rede social Instagram realizada por estudante...60
Figura 13 - Quadro de conceitos de Física citados pelos estudantes...61
Figura 14 - Estudantes respondendo ao pré-teste...62
Figura 15 - Estudantes elaborando mapas mentais...67
Figura 16 - Primeira versão dos mapas mentais...68
Figura 17 - Versão finalizada dos mapas mentais...69
Figura 18 - Estudantes durante a explanação / Simulação computacional “energia na pista de skate”...70
Figura 19 - Aula de magnetismo...71
Figura 20 - Grupos de estudantes realizando leitura...73
Figura 21 - Estudantes durante a atividade comprar ou não um veículo elétrico...74
Figura 22 - Estudantes coletando os materiais necessários para realizar as atividades experimentais...75
Figura 23 - Estudantes realizando a atividade experimental 4 (trem homopolar)...75
Figura 24 - Experimento eletroímã...79
Figura 25 - Experimento motor homopolar...81
Figura 26 - Experimento carrinho homopolar...90
1 INTRODUÇÃO...15 1.1 JUSTIFICATIVA...15 1.2 OBJETIVO GERAL...19 1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS...19 1.4 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO...19 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA...21
2.1 APRENDIZAGEM SIGNIFICATIVA X APRENDIZAGEM MECÂNICA...21
2.2 CONDIÇÕES NECESSÁRIAS PARA QUE A APRENDIZAGEM SIGNIFICATIVA OCORRA...23
2.3 ORGANIZADORES PRÉVIOS...24
2.4 ORGANIZAÇÃO SEQUENCIAL...25
2.5 UNIDADES DE ENSINO POTENCIALMENTE SIGNIFICATIVOS (UEPS)...26
2.6 TRABALHOS RELACIONADOS...28 3 FUNDAMENTAÇÃO CIENTÍFICA...30 3.1 CARGA ELÉTRICA...30 3.2 LEI DE COULOMB...31 3.3 CAMPO ELÉTRICO...32 3.4 POTENCIAL ELÉTRICO...33 3.5 CORRENTE ELÉTRICA...35 3.6 CAMPO MAGNÉTICO...35
3.7 CAMPO MAGNÉTICO PRODUZIDO POR CORRENTE ELÉTRICA...37
3.8 CAMPO MAGNÉTICO PRODUZIDO POR UM SOLENOIDE...38
3.9 FLUXO MAGNÉTICO...39
3.10 FÍSICA DOS EXPERIMENTOS...40
3.10.1 ELETROÍMÃ...40
3.10.4 TREM HOMOPOLAR...45
4 METODOLOGIA...47
4.1 JUSTIFICATIVA...47
4.2 MÉTODO...49
4.3 APLICAÇÃO DA UEPS...51
4.4 AVALIAÇÃO DA UEPS E AVALIAÇÃO DA RELEVÂNCIA DA UEPS...52
5 DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO...55
6 ANÁLISE DOS RESULTADOS...78
6.1 ATIVIDADE EXPERIMENTAL 1 E 2...78 6.2 PRÉ-TESTE...82 6.3 ATIVIDADE EXPERIMENTAL 3 E 4...89 6.4 PÓS-TESTE...94 6.5 GRUPO FOCAL...99 7 CONCLUSÃO...103 REFERÊNCIAS...105
APÊNDICE A – UNIDADE DE ENSINO POTENCIALMENTE SIGNIFICATIVA...110
1 INTRODUÇÃO
As pesquisas que possuem como foco principal o processo de ensino/aprendizagem são extremamente importantes para o desenvolvimento de uma educação de qualidade. Desta forma, a produção de trabalhos de graduação e pós-graduação na área de ensino, utilizando teorias de aprendizagem diversificadas visam contribuir para a construção de estratégias que auxiliem os professores a melhorar sua prática pedagógica. O programa de Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física, nos últimos anos têm buscado contribuir para o desenvolvimento da comunidade científica na elaboração de trabalhos com a construção de produtos educacionais aplicáveis que proporcionem apoio ao professor de Física.
O curto tempo que os professores, principalmente de educação básica, possuem disponível para a preparação de suas aulas, pode ser considerado um fator desfavorável, em hipótese, a construção de aulas que extrapolem o “quadro e giz”. Rohrer (2017) comenta que em muitos casos, busca-se fazer aulas diversificadas com a utilização de recursos audiovisuais, porém, quando estes recursos são apenas uma reprodução digital do que seria exposto na lousa, o que ocorreu foi, na verdade, uma aula digitalizada.
Uma ferramenta que pode ter vasto potencial motivador aos estudantes ao proporcionar a concretização dos conceitos estudados nas aulas de Física, é o uso de atividades experimentais no decorrer das aulas. Quando embasado por uma teoria de aprendizagem, o uso de experimentos pode cumprir papéis diferentes, dependendo do momento ao qual são aplicados.
1.1 JUSTIFICATIVA
O programa Internacional de Avaliação de Estudantes (PISA) foi lançado em 1997, visando “desenvolver evidências comparada entre países com base no desempenho dos estudantes”, pela Organização para a Cooperação e Desenvolvimento Econômico (OCDE) (BRASIL, 2016, p.18).
A avaliação do PISA 2015 em ciências, aponta que:
No Brasil, o percentual de respostas corretas aos 181 itens de ciências foi de 30,6%, em média, sendo o Espírito Santo a unidade da Federação com o maior percentual de acerto (30,5%) e Alagoas com o menor (23,6%). No contexto internacional, a Finlândia apresentou, em geral, o melhor resultado (56,4% de respostas corretas), e a República Dominicana, o pior (19,9%) (BRASIL, 2016, p.50).
Os resultados apresentados demonstram a fundamental importância em construir estratégias didáticas diferenciadas, de fato, na busca de melhorar os índices dos estudantes com um aumento do interesse pela disciplina de Física.
É comum, no contexto da escola básica, ouvir frases do tipo: “Não gosto de Física”, “Física é muito difícil”, “Porque estudamos Física?”, ou ainda “Onde vou usar isso na minha vida?”. Segundo Tres (2016), “percebe-se um desinteresse, uma falta de motivação em querer aprender e até uma aversão dos alunos com relação à disciplina de Física e praticamente sobre todo o seu conteúdo escolar”. Muitos estudantes chegam no primeiro ano do ensino médio, primeiro contato formal com a disciplina de Física, já desinteressados e sem querer aprender os conteúdos propostos, tendo o professor um papel de tentar cativar e incentivar os estudantes constantemente.
Uma hipótese ao desinteresse dos estudantes pela Física pode estar vinculado ao modelo de ensino utilizado, onde por vezes o ensino de Física é apresentado de forma mecânica e sem significado para os estudantes.
Quando o material de aprendizagem é relacionável à estrutura cognitiva somente de maneira arbitrária e literal que não resulta na aquisição de significados para o sujeito, a aprendizagem é dita mecânica ou automática (MOREIRA, 2011, p.26).
Neste modelo de ensino, o professor é a única fonte de conhecimento e os estudantes são incentivados a memorizar os conteúdos “ensinados” e reproduzi-los em testes. Neste modelo de ensino, o estudante é um ser passivo, sem autonomia e sujeito ao adestramento científico, com os conceitos apresentados de maneira
arbitrária. A desmotivação dos estudantes leva a algumas reflexões e a busca por aulas diferenciadas fomentando a atenção dos estudantes e na tentativa de gerar interesse por aprender Física, ciência tão importante e que nos ajuda a conhecer melhor o mundo a nossa volta.
Diante dessa preocupação surgiu o problema: As mudanças de metodologia nas aulas de física poderiam despertar um maior interesse nos estudantes e automaticamente ser mais eficiente na apropriação de novos conhecimentos?
Na busca de uma resposta para tal pergunta, o presente trabalho propõe a elaboração de uma Unidade de Ensino Potencialmente Significativa (UEPS), baseada na teoria da aprendizagem significativa de Ausubel (1980), utilizando motores elétricos como ideia âncora.
A utilização de motores elétricos para como tema principal no ensino de eletricidade e magnetismo foi escolhido, prioritariamente, porque a eletricidade desempenha um papel de máxima importância para a sociedade moderna, estando constantemente presente em nosso cotidiano, de acordo com Biscuola [2016]:
As correntes elétricas têm papel fundamental no mundo moderno, estando presentes nos sistemas de iluminação residenciais e urbanos, nos eletrodomésticos em geral, na indústria, nos computadores, nos aparelhos de comunicação, nos veículos automotores etc (BISCUOLA, 2016, pg. 92).
Por sua vez, os fenômenos magnéticos sempre causaram curiosidade, tratados muitas vezes como mágica em espetáculos proporcionados em praças públicas. Rodríguez [1998] conjectura que:
Os fenômenos magnéticos foram os primeiros em despertar a curiosidade do homem sobre o interior da matéria. Os primeiros relatos de experiências com a força misteriosa da magnetita, o ímã natural, são atribuídos aos gregos e datam de 800 a.C (RODRÍGUEZ, 1998, pg. 315).
O ensino de eletromagnetismo no ensino médio se mostra fundamental para que o estudante entenda melhor o mundo que está a sua volta ao fazer a contextualização dos conceitos.
De acordo com Mendonça (2007), os estudantes costumam entender “[…] que a ciência é muito monótona, complicada e sem ligação a realidade e a electricidade, sendo um assunto de tantas aplicações práticas, é um bom tema para motivar esses alunos”. Souza (2016) comenta que durante sua experiência de atuação docente, observa, se tratando do conteúdo de eletricidade, as “[…] dificuldades demonstradas por alunos em compreendê-lo e a relevância de seus conceitos para a vida em sociedade, imersa em artefatos eletroeletrônicos” (SOUZA, 2016, p. 2).
O ensino de eletromagnetismo utilizando motores elétricos como ideia âncora para a organização sequencial se mostra altamente relevante e incentivado nas propostas curriculares tanto a nível estadual (PCSC), quanto nacional (PCNEM, PCN+), demonstrando a importância da temática escolhida para o desenvolvimento deste trabalho.
O local escolhido para a aplicação do estudo foi a Escola de Educação Básica de Araranguá, em uma turma de terceiro ano do período vespertino. Uma classe pequena, composta por doze estudantes e, na visão geral dos professores titulares, apresenta grande problema no processo ensino/aprendizagem.
Como no estado de Santa Catarina a disciplina de Física possui duas aulas de quarenta e cinco minutos semanais em sua grade curricular, a UEPS desenvolvida foi estruturada em semanas. sendo necessárias onze semanas (22 horas-aula) para a aplicação da UEPS, durante os meses de setembro a dezembro de 2018, ocupando o final do terceiro e todo o quarto bimestre letivo.
1.2 OBJETIVO GERAL
• Analisar se as mudanças de metodologia nas aulas de física melhoram o interesse e o desempenho dos estudantes verificando evidências de que a aprendizagem significativa foi contemplada.
1.3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Fomentar o interesse dos estudantes pela disciplina de Física;
• Desenvolver atividades experimentais visando a aproximação dos conteúdos estudados com o cotidiano do estudante;
• Contextualizar os conceitos para que a aprendizagem possa se tornar significativa;
• Potencializar o desempenho dos estudantes em testes;
• Disponibilizar o material potencialmente significativo construído para que outros professores de Física possam aplicar em suas aulas.
1.4 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO
O presente trabalho foi assim estruturado:
O capítulo um expõe a introdução do trabalho, na qual contém o problema da pesquisa, objetivos e justificativa.
O capítulo dois apresenta os principais conceitos da teoria de aprendizagem que fundamentou a construção desta dissertação, além de uma seção contendo trabalhos relacionados aos temas estudados.
O capítulo três retrata uma breve fundamentação dos conceitos de Física abordados no decorrer deste trabalho.
O capítulo quatro exibe a metodologia que foi utilizada para a construção e aplicação deste trabalho.
O capítulo cinco conta com a descrição da aplicação da UEPS baseada nas informações contidas no diário de campo que contém os relatos detalhados das aulas ministradas, com foco em evidências de que a aprendizagem significativa tenha ocorrido.
O capítulo seis retrata a análise de todos os dados colhidos durante a aplicação do estudo utilizando um pré-teste, questões para refletir nos roteiros das atividades experimentais, pós-teste e grupo focal.
Por fim, espaço reservado para as considerações finais, referências e anexos.
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Existem diferentes abordagens quando se trata de aprendizado, em geral são elencados três tipos de aprendizagem:
i. Cognitiva, do qual a principal característica está no armazenamento de informações de forma organizada na estrutura cognitiva do estudante.
ii. Afetiva, sendo aquele tipo de aprendizagem que está vinculada a experiências afetivas como felicidade, prazer, ansiedade. Essas experiências afetivas podem também estar relacionadas com experiências cognitivas, nestes casos a aprendizagem afetiva e psicomotora se complementam.
iii. Psicomotora, fazendo referência as respostas musculares que podem ser desenvolvidas com repetição e treinamento, em geral também é importante que algum elemento de aprendizagem cognitiva esteja presente na construção deste tipo de aprendizado (MOREIRA, 1995).
A teoria de aprendizagem elencada para embasar o planejamento e construção do produto educacional presente neste trabalho, e consequentemente de todas as atividades propostas, foi a teoria da aprendizagem significativa, proposta por David Ausubel (1918-2008). Ausubel dedicou sua vida a elaboração de teorias educacionais que pudessem contribuir com o desenvolvimento da Psicologia Educacional, trazendo um enfoque cognitivo. Graduado em Psicologia e Medicina, doutor em Psicologia do Desenvolvimento pela Universidade de Columbia. As próximas seções expõem alguns dos principais aspectos da teoria de aprendizado de Ausubel.
2.1 APRENDIZAGEM SIGNIFICATIVA X APRENDIZAGEM MECÂNICA
A aprendizagem não se baseia apenas em conteúdos programáticos e conceitos científicos, mas em uma perspectiva mais abrangente, pode-se considerar que em todos os momentos da vida de um sujeito, este está em um processo de
aprendizagem. Logo, a aprendizagem não está vinculada somente às aulas, ou mesmo a escola.
De fato, a aprendizagem pode ser construída de diferentes formas, dentre elas, destacamos a aprendizagem mecânica, também conhecida como método tradicional de ensino ou ainda como aprendizagem por memorização, que é a mais utilizada para mensurar a apropriação de conhecimentos dos estudantes nas redes educacionais, segundo Pedroso (2012):
Predomina ainda o ensino desvinculado da realidade das pessoas, descontextualizado historicamente, pautado na memorização e ministrado em uma concepção tradicional, na qual o professor, na condição de “sujeito do processo”, em aulas expositivas apresenta e explica os conteúdos (PEDROSO, 2012, pg. 27).
Quando a aprendizagem acontece desta forma, diz-se que ela é arbitrária e literal, arbitrária pois os conhecimentos apresentados são armazenados na estrutura cognitiva do aprendiz, não estabelecendo ligações com os conhecimentos que o mesmo já possui, e literal, uma vez que é armazenada exatamente da forma como está sendo proposta. Deste modo, este tipo de aprendizagem costuma ter pouco significado para o aprendiz, alcançando apenas a memorização dos conceitos para avaliações e posteriormente caindo no esquecimento e, segundo Moreira (2011) “não resulta na aquisição de significados para o sujeito”. Isso não significa que a aprendizagem mecânica não tenha nenhuma importância, existem situações em que este tipo de aprendizagem se faz necessário. Porém não podemos acreditar que toda aprendizagem deve ser mecânica.
Buscando apresentar uma nova abordagem de ensino, em meados de 1960 Ausubel divulgou o conceito de aprendizagem significativa. (DAMASIO, 2011). Mesmo não sendo um contraponto, a aprendizagem significativa busca tornar os conhecimentos e conceitos científicos mais significativos para o estudante, para isto o conhecimento não pode ser armazenado de forma impositiva e literal, há de se encontrar mecanismos para que o conhecimento apresentado estabeleça um
diálogo e interaja com os conhecimentos que o aprendiz já adquiriu ao longo de sua história, assim, modificando os conhecimentos prévios e armazenando os conhecimentos novos de forma não-arbitrária e não-literal (MOREIRA, 2011).
2.2 CONDIÇÕES NECESSÁRIAS PARA QUE A APRENDIZAGEM SIGNIFICATIVA OCORRA
Para que a aprendizagem de novos conceitos se torne significativa, algumas condições se fazem necessárias:
a) Conhecimentos prévios adequados (subsunçores): subsunçor ou ideia âncora é um conhecimento prévio necessário para que o aprendiz consiga interagir com o novo conhecimento proposto. Nesta interação o subsunçor é modificado e ancora o novo conhecimento para que seja significativo. Um subsunçor não necessariamente precisa ser um conceito científico, mas pode ser também uma imagem, um símbolo, um modelo mental ou outras expressões. Neste sentido, Moreira (2012) é claro quando afirma que:
Em termos simples, subsunçor é o nome que se dá a um conhecimento específico, existente na estrutura de conhecimentos do indivíduo, que permite dar significado a um novo conhecimento que lhe é apresentado ou por ele descoberto (MOREIRA, 2012, pg.2).
Os subsunçores possuem um papel de grande importância, pois para que a aprendizagem se torne significativa é necessário que haja interação entre os conhecimentos novos e os prévios de forma não-arbitrária e não-literal; ou seja, que se estabeleça um diálogo entre o saber adquirido e o novo, dando significado a aprendizagem.
b) Materiais potencialmente significativos: uma vez que os aprendizes já possuem conhecimentos prévios adequados, o material de aprendizagem (roteiros de experimentos, apresentações, atividades, livros, etc.) deve possibilitar a relação não-arbitrária e não-literal aos conhecimentos prévios que o aprendiz dispõe em sua
estrutura cognitiva, trazendo novos significados aos conhecimentos prévios e ancorando os novos conceitos. Não existe material significativo, do mesmo modo que não existe como garantir que a aprendizagem vai ser significativa. Porém, a construção de um material potencialmente significativo contribui para que a aprendizagem se torne de fato significativa;
c) Predisposição para aprender: não adianta ter um material potencialmente significativo se o aprendiz não estiver disposto a interagir os novos conhecimentos e os subsunçores. Esta predisposição não faz referência ao gosto pela disciplina, nem ao ânimo do aprendiz. Muitas vezes o aprendiz tem motivação e vontade de aprender, mas foi incentivado em toda sua trajetória escolar a apenas memorizar as informações para passar nos testes, demonstrando que os métodos de avaliação e procedimentos de ensino amplamente difundidos encorajam este tipo de aprendizagem puramente mecânica e sem significado.
É necessário que essas três condições sejam cumpridas para que a aprendizagem se torne significativa. Não é suficiente cumprir algumas condições. Claramente que existem estratégias para que as condições sejam alcançadas, caso o aprendiz não possua subsunçores, um organizador prévio pode ser adicionado para criar um ponto de partida por exemplo. A predisposição em aprender também pode ser incentivada ao utilizar materiais e atividades concretas e próximas da zona de conhecimento dos aprendizes, visando fomentar seu interesse pelo tema proposto (MOREIRA, 2012).
2.3 ORGANIZADORES PRÉVIOS
O conceito de organizador prévio possui o objetivo de preparar a estrutura cognitiva do estudante servindo de ancoradouro para os novos conceitos a serem apresentados.
Esta estratégia pode ser constituída por materiais introdutórios apresentados antes do material instrucional em si, em um nível alto de
generalização e abstração que serve de ponte entre o conhecimento prévio do sujeito e o campo conceitual que se pretende que ele aprenda significamente (DAMASIO, 2011, p.28).
Neste sentido, os organizadores prévios se tratam de materiais introdutórios visando fornecer ideias âncoras relevantes para a aprendizagem significativa do novo material. Essa estratégia pode ser utilizada também no caso do estudante não possuir subsunçores, dando um ponto de partida para a aprendizagem de novos conceitos.
2.4 ORGANIZAÇÃO SEQUENCIAL
Visando assegurar que a aprendizagem seja sequencial e organizada, Ausubel (1980) recomenda que os princípios da diferenciação progressiva, reconciliação integradora e consolidação sejam respeitados.
A diferenciação progressiva propõe que as aulas sejam planejadas com ideias âncoras norteadoras, onde os conceitos mais gerais devem ser apresentados primeiramente, deste modo, os conceitos específicos devem ser progressivamente expostos, sempre fazendo referências aos mais gerais. Deste modo respeitando a reconciliação integradora, a qual sugere que o planejamento do conteúdo não pode ser apresentado de forma linear e unidirecional (MOREIRA, 2008).
A consolidação preconiza que os conceitos apresentados devem sempre ser consolidados antes da exposição de novos conceitos (DAMASIO, 2011).
O mapa conceitual exibido na Figura 1, apresenta uma síntese da teoria da aprendizagem significativa de Ausubel e as condições necessárias para que seja alcançada.
2.5 UNIDADES DE ENSINO POTENCIALMENTE SIGNIFICATIVOS (UEPS)
Uma proposta para a construção de uma sequência didática que respeite o princípio da organização sequencial fundamentada na teoria da aprendizagem significativa é apresentada por Moreira (2011) como sendo uma Unidade de Ensino Potencialmente Significativa (UEPS). A construção de uma UEPS deve seguir 8 aspectos sequenciais:
i. Determinar o tema específico a ser tratado, identificando aspectos declarativos e procedimentais no âmbito do conteúdo de ensino na qual o tema está inserido;
ii. Proporcionar situações problemas que permitam extrair o conhecimento prévio que o estudante possui, aceito ou não-aceito no âmbito do conteúdo proposto;
Figura 1: Um mapa conceitual para a aprendizagem significativa de Ausubel.
iii. Promover situações-problema, em nível bem introdutório, considerando o conhecimento prévio do estudante, podendo assumir papel de organizador prévio; iv. Expor o conteúdo a ser ensinado formalmente, considerando a diferenciação progressiva, começando pelos conceitos mais gerais, exemplificando e continuando para conceitos e interpretações mais específicos;
v. Resgatar os conceitos mais gerais do conteúdo a ser ensinado com nova apresentação em nível mais alto de complexidade. Para promover a reconciliação integrativa novos exemplos precisam ser tratados, destacando semelhanças e diferenças do que já foi exposto antes, essas situações-problema necessitam ser propostas em níveis crescentes de complexidade;
vi. Retomar os principais aspectos do conteúdo abordado de maneira integradora na tentativa de alcançar a reconciliação integrativa. Situações-problema novas podem ser apresentadas com mais altos níveis de complexidade;
vii. Durante a aplicação do estudo é importante que se construa um registro detalhado com foco nas evidências de aprendizagem significativa, que será utilizado para a avaliação da aprendizagem ao longo da UEPS. É desejável que exista uma avaliação somativa individual onde deverão constar questões que demonstrem compreensão do conteúdo proposto e alguma capacidade de transferência;
viii. Se as avaliações aplicadas aos estudantes ao longo da UEPS proporcionarem evidências de aprendizagem significativa, pode-se considerar que a UEPS conseguiu alcançar seus objetivos. O foco da investigação são as evidências, ao invés dos comportamentos finais, pois a aprendizagem significativa é progressiva (MOREIRA, 2011).
O presente trabalho foi elaborado a partir destas sugestões, propostas por Ausubel, na tentativa de fazer com que a aprendizagem dos estudantes se torne significativa.
2.6 TRABALHOS RELACIONADOS
Pesquisas de ensino utilizando a teoria da aprendizagem significativa contando com a construção de unidades de ensino potencialmente significativas se mostram cada vez mais presente entre os pesquisadores no Brasil. Pode-se encontrar muitos exemplos de aplicação da teoria da aprendizagem significativa de Ausubel (1980) em trabalhos publicados nos últimos anos.
Neste contexto, Maciel (2016), utiliza três UEPS para introduzir conceitos relacionados a astronomia e a construção de um sítio eletrônico para disponibilizar essas UEPS para professores que se interessem em aplicá-las em suas aulas. Em sua discussão final, Maciel (2016) procura demonstrar, além dos sucessos proporcionados pela utilização das UEPS, as dificuldades encontradas durante essa aplicação. De acordo com Maciel (2016):
Programar uma estratégia diferente do que os alunos estão familiarizados é um verdadeiro desafio. Os alunos mantêm uma postura de resistência ao método utilizado. Outra dificuldade que pode surgir é acesso restrito a recursos como computadores, projetores, laboratórios ou outros recursos utilizados nas aulas (MACIEL, 2016, p.48).
Mesmo com todas as dificuldades encontradas, Maciel (2016) expõe que as evidências de aprendizagem significativas não conseguiram alcançar suas expectativas, porém isso não faz da aplicação um fracasso, uma vez que:
Apesar dos escassos indícios de aprendizagem significativa apresentados nos resultados da aplicação de cada uma das UEPS relatadas, estes são animadores e nos estimula a continuar utilizando e aperfeiçoando estas estratégias (MACIEL, 2016, p.48).
Vieira (2016) construiu uma UEPS visando apresentar conceitos relacionados a conversão de energia elétrica na educação básica, sendo aplicado a turmas que fazem parte do programa de Educação de Jovens e Adultos (EJA). Vieira (2016) comenta sobre a dificuldade e complexidade da profissão docente para conseguir
formar sujeitos críticos. Mesmo com adversidades, ressalta as evidências encontradas de que a aprendizagem significativa pode ser considerada alcançada para a maioria dos alunos que fizeram parte da pesquisa, ao relatar:
[…] durante o processo de ensino e aprendizagem os alunos demonstraram por meio dos recursos avaliativos que a nova informação teve interação com a estrutura cognitiva do indivíduo e assim se efetivou a ancoragem nos conceitos já existentes, modificando a estrutura cognitiva, e formando-se novos (VIEIRA, 2016, p.34).
A aplicação de experimentos nas aulas de Física para promover o interesse e melhorar os níveis de aprendizado dos estudantes é incentivada em várias pesquisas de ensino. Lopes (2009) propõe a construção de um guindaste eletromagnético (eletroímã) para fins didáticos, demonstrando a relevância pedagógica ao empregar um experimento clássico da Física que também faz parte do presente trabalho. Doff (2016) descreve o funcionamento de um motor homopolar linear com o intuito de ilustrar o funcionamento de um acelerador de partículas, no qual incentiva a exploração do potencial didático deste experimento. Balestrini (2016) propõe atividades experimentais sobre eletromagnetismo aplicadas ao ensino profissionalizante utilizando elementos da teoria da aprendizagem significativa de Ausubel. Segundo Balestrini (2016):
podemos concluir que a metodologia utilizada neste trabalho contribuiu para uma melhor compreensão dos alunos, deste fenômeno que é abstrato nas suas aplicações cotidianas, além de esclarecer melhor os princípios físicos envolvidos no funcionamento desses componentes (BALESTRINI, 2016, p.238).
Nota-se que a utilização de experimentos nas aulas de Física, em todos os níveis de educação, baseada na teoria da aprendizagem significativa é constantemente incentivada em estudos produzidos nos últimos anos. Assim, a estratégia escolhida para o desenvolvimento do presente trabalho mostra-se atual e com um grande potencial a ser explorado.
3 FUNDAMENTAÇÃO CIENTÍFICA
Este Capítulo retrata uma breve fundamentação dos conceitos de Física abordados no decorrer deste trabalho.
3.1 CARGA ELÉTRICA
A origem dos fenômenos elétricos está ligada ao mundo microscópico, mais precisamente às partículas que compõem o átomo. Existe uma propriedade que estas partículas possuem chamada carga elétrica. O elétron possui carga elétrica negativa ( - ), o próton possui carga elétrica positiva ( + ) e o nêutron não possui carga elétrica. O valor da carga de um elétron ou de um próton é chamado de carga elementar e vale aproximadamente 1,602×10-19C, assumindo valor positivo quando tratar de prótons e valor negativo quando elétrons..
Em homenagem a Charles-Augustin de Coulomb, idealizador da lei que permite calcular a força de interação entre cargas elétricas, a unidade de carga elétrica no SI (sistema internacional de unidades) é o Coulomb (C), onde 1C=(1A) (1s) (HALLIDAY, 2010).
Quando duas cargas elétricas são aproximadas, apresentam uma força de interação que pode ser de atração ou repulsão dependendo do sinal das cargas envolvidas. Se as cargas elétricas tiverem mesmo sinal a força será de repulsão e se tiverem sinais contrários a força será de atração.
Todo corpo constituído de matéria é formado por átomos e esses átomos são formados por prótons, elétrons e nêutrons. Se a quantidade de prótons e elétrons de um corpo forem iguais, o somatório total da quantidade de carga desse corpo será zero, neste caso, podemos dizer que o corpo está eletricamente neutro. Se a quantidade de prótons e elétrons for diferente, dizemos que o corpo está eletrizado, podendo ser positivamente (excesso de prótons) ou negativamente (excesso de elétrons) (NUSSENZVEIG, 1997).
Quando os átomos de algum material qualquer se juntam para formar as moléculas, alguns elétrons fracamente ligados ao núcleo atômico podem se desprender do átomo adquirindo liberdade, essas partículas são chamadas de elétrons de condução.
Dizer que a carga elétrica é quantizada significa dizer que a quantidade de carga de qualquer corpo eletrizado será sempre um múltiplo da carga elementar e. Logo podemos dizer que:
Q=±ne (1)
Onde n é um número inteiro, e é chamada de carga elementar (quantidade de carga elétrica de um próton ou elétron).
3.2 LEI DE COULOMB
Charles-Augustin Coulomb, em 1785 (HALLIDAY, 2010), após realizar uma série de experimentos em laboratório com uma balança de torção, apresentou a lei que permite calcular a força de interação entre duas cargas elétricas puntiformes q1 e q2, separadas por uma distância r:
F= 1 4π ε0
|
q1||
q2|
r2 (2) No qual 1 4π ε0 =8 ,99 x 109N . m2C2=k é conhecido como constante eletrostática e ε0=8 ,85 x10−12C
N .m2=k como permissividade do vácuo. A força elétrica é uma grandeza vetorial e sua direção coincide com a da reta que une as
cargas elétricas envolvidas. O princípio de superposição pode ser aplicado a Lei de Coulomb, sendo assim, a força elétrica resultante produzida por várias cargas é a soma vetorial de todas as forças produzidas pelas outras cargas sobre a carga analisada.
3.3 CAMPO ELÉTRICO
O campo elétrico é uma região de influências que toda carga elétrica cria em suas redondezas. Quando uma carga elétrica é abandonada em uma região afetada por um campo elétrico, ela sofrerá a ação de uma força elétrica. Halliday (2010) define o campo elétrico como sendo:
[…] um campo vetorial, constituído por uma distribuição de vetores, um para cada ponto de uma região em torno de um objeto eletricamente carregado, como um bastão de vidro (HALLIDAY, 2010, p.24).
Sendo assim, o campo elétrico pode ser definido como uma propriedade física estabelecida em todos os pontos do espaço sob a influência de uma carga elétrica (carga fonte), do modo que uma outra carga (carga de prova), ao ser colocada em um desses pontos, fica sujeita a uma força de atração ou de repulsão. Carga de prova é uma carga elétrica de valor, preferencialmente, conhecido utilizada para averiguar a existência de um campo elétrico. Como o campo elétrico ( ⃗E ) é uma grandeza vetorial, seu sentido depende do sinal da carga puntiforme que o cria, se for positiva o vetor terá sentido de aproximação da carga e se for negativa, de afastamento. Se dividirmos o valor da força eletrostática, ⃗F exercida sobre uma quantidade de uma carga de prova positiva q0, em qualquer ponto do espaço, teremos o campo elétrico neste ponto. Assim:
⃗E=q⃗F 0
Para uma carga puntiforme q, isolada, o campo elétrico em um ponto do espaço a uma distância r da carga, será dado por:
⃗E=4π ε1 0
|q|
r2 ^r (4)
Uma forma de analisar o campo elétrico gerado por uma carga puntiforme é utilizar as linhas de campo elétrico, que segundo Biscuola (2016), são linhas imaginárias tangenciadas pelo vetor campo elétrico resultante associado a cada ponto do espaço, possuindo o mesmo sentido do vetor campo elétrico. O valor absoluto do campo elétrico em uma região do espaço pode ser analisado através da densidade das linhas de força nesta região, quanto mais linhas de força em uma determinada área, maior o valor do campo (BISCUOLA, 2016, p.35).
3.4 POTENCIAL ELÉTRICO
O potencial elétrico é uma grandeza escalar e pode ser uma alternativa, para a análise de interação entre as cargas elétricas, ao modelo de campos elétricos. Podemos descrever o potencial elétrico como sendo a quantidade de energia potencial elétrica por unidade de carga. De acordo com Hewitt (2002), a energia potencial elétrica pode ser descrita como “a energia que a partícula possui em virtude de sua localização”.
Para conduzir uma partícula carregada através de uma região do espaço sob influência de um campo elétrico é necessário trabalho. Logo, considera-se que a variação ΔU da energia potencial elétrica U presente é dada por:
Neste caso, o trabalho efetuado pela força de interação eletrostática na carga puntiforme no decorrer de seu deslocamento de i para f é representado pelo W. A diferença de potencial ΔV entre dois pontos do espaço, inicial i e final f, afetados por um campo elétrico pode ser expressa como:
ΔV=Vf−Vi=− W
q (6)
O potencial elétrico é comumente chamado de voltagem fazendo alusão a sua unidade no SI (sistema internacional de unidades), o volt, que corresponde a 1 joule por coulomb. Outra forma de exibir o potencial elétrico é escrevendo em função da energia potencial elétrica que envolve uma carga q sob a influência de um campo elétrico (HALLIDAY, 2010, p.80). V=U q , ΔV=Vf−Vi= Uf q − Ui q = ΔU q (7)
Equipotenciais são linhas imaginárias ou superfícies onde todos os pontos do espaço apresentam o mesmo valor de potencial elétrico (BISCUOLA, 2016, p.57). De acordo com Halliday (2010) o potencial elétrico gerado por uma carga puntiforme isolada, em um ponto do espaço a uma distância r da carga será descrito como:
V= 1 4π ε0
q
Como o potencial elétrico é uma grandeza escalar, o potencial produzido por um conjunto de cargas pontuais será o somatório de todos os potenciais que agem no ponto considerado, logo
V=
∑
i=1 n Vi= 1 4π ε0∑
i=1 n q i ri (9) 3.5 CORRENTE ELÉTRICAA definição de corrente elétrica é comumente relacionada com o movimento ordenado de portadores de carga elétrica em um condutor, podendo ser positivos ou negativos, com direção e sentido preferenciais, causada por uma diferença de potencial (ddp) ou tensão elétrica. De acordo com Nussenzveig (1997), “a intensidade i da corrente através de uma dada secção do fio condutor é definida como a quantidade de carga que atravessa esta secção por unidade de tempo” (NUSSENZVEIG, 1997, p.99), logo:
i=dq
dt (10)
O sentido da corrente elétrica pode ser analisado de duas maneiras diferentes. O sentido real da corrente é vinculado ao sentido que as partículas se movimentam, e o sentido convencional, que foi adotado como sendo o sentido que se movem as partículas com carga positiva, da região de maior potencial para a região de menor. No SI (sistema internacional de unidades), a unidade de medida associada a corrente elétrica é o ampère (A), sendo 1 A = 1 C/s (HALLIDAY, 2010).
Os efeitos magnéticos sempre proporcionaram curiosidade, segundo Hewitt (2002),
As crianças são fascinadas por ímãs, principalmente porque os ímãs atuam a distância. Pode-se mover um prego com um ímã localizado próximo, mesmo quando um pedaço de madeira é colocado entre os dois. Analogamente, um neurocirurgião pode dirigir uma pequena esfera através do tecido cerebral até alcançar um tumor que não é operável, colocar um cateter em posição, ou implantar eletrodos, sem produzir grandes danos ao tecido cerebral (HEWITT, 2002, p.408).
Um ímã cria uma região de influências nas suas redondezas, que pode afetar outros ímãs, bem como alguns materiais ferromagnéticos os atraindo ou repelindo, essa região é chamada de campo magnético.
Quando uma partícula puntiforme de carga q, se movendo a uma velocidade ⃗v em uma região do espaço afetada por um campo magnético ⃗B sofre a ação de uma força magnética ⃗FB , podendo ser definida como (HALLIDAY, 2010, p.203):
⃗
FB=q ⃗v×⃗B (11)
No SI (sistema internacional de unidades) a unidade padrão para o campo magnético é o tesla (T), onde 1 T equivale a 1 N/(A.m) que representa 104 gauss.
A força sobre uma corrente elétrica pode ser analisada no caso de um fio retilíneo longo que está em uma região afetada por um campo magnético uniforme e com uma corrente elétrica i o atravessando. Neste caso a força magnética ao qual é submetido pode ser escrita como (HALLIDAY, 2010, p.217):
⃗
Se efetuarmos uma análise considerando um elemento de comprimento infinitesimal d ⃗L , a equação passa a se comportar como:
d ⃗FB=i d ⃗L×⃗B (13)
Nesta análise, podemos considerar que ⃗L é o vetor comprimento que possui módulo L, sendo d ⃗L um elemento infinitesimal de comprimento e o sentido desse vetor coincide com o sentido da corrente elétrica i que atravessa o condutor.
3.7 CAMPO MAGNÉTICO PRODUZIDO POR CORRENTE ELÉTRICA
Se a corrente elétrica gera um campo magnético, o fenômeno contrário possivelmente é verdadeiro também, este fenômeno é chamado de indução eletromagnética. De acordo com Serway (2014):
Em 1819, Oersted descobriu que uma corrente elétrica em um fio desvia a agulha de uma bússola próxima, que indica que a corrente está agindo como uma fonte de campo magnético. A partir das análises sobre a força entre um condutor percorrido por corrente e um ímã no início do século XIX, Jean-Baptiste Biot e Félix Savart chegaram a uma expressão matemática que fornece o campo magnético em um ponto do espaço em termos da corrente que ele produz (SERWAY, 2014, p.156).
A expressão matemática citada por Serway, Lei de Biot-Savart, pode ser escrita, em sua forma diferencial, da seguinte maneira:
A permeabilidade do vácuo, representada na equação pela constante μ0 corresponde a 4π ×10−7T . m/ A , que equivale a aproximadamente
1 ,26×10−6T . m/ A .
Uma alternativa a lei de Biot-Savart para o cálculo do campo magnético gerado por correntes é a lei de Ampère, que se mostra com maior praticidade de utilização em algumas distribuições de corrente (HALLIDAY, 2010, p.242). Conforme a lei de Ampère:
(15)
Amperiana é uma curva fechada a qual deve ser tomada como referência para o cálculo da integral de linha exibida na equação acima.
3.8 CAMPO MAGNÉTICO PRODUZIDO POR UM SOLENOIDE
Um solenoide é constituído por um fio condutor enrolado em espiral, formando uma sequência de espiras que quando trilhado por uma corrente elétrica, um campo magnético aparece em sentido perpendicular a uma seção reta do solenoide. Esta disposição faz com que apareçam no solenoide polaridades norte e sul definidas, assim como de um ímã natural (HALLIDAY, 2010, p.246). O módulo do campo magnético produzido por um solenoide ideal é dado por:
B=μ0in (16)
3.9 FLUXO MAGNÉTICO
O fluxo magnético pode ser definido sendo uma grandeza associada a quantidade de linhas de campo magnético que atravessam uma certa área de um corpo qualquer (SERWAY, 2014), de modo que pode-se expressar matematicamente:
ⲪB=
∫
⃗B⋅d ⃗A (17)A variável Ⲫ representa o fluxo magnético e sua unidade no SI (sistema internacional de unidades) é o Wb (weber), sendo 1 Wb equivalente a 1 T.m2.
A lei de indução de Faraday relaciona uma variação no fluxo magnético a uma variação de tempo, Serway (2014) comenta que “a força eletromotriz induzida em um circuito é igual à taxa de variação temporal do fluxo magnético que passa pelo circuito”, logo:
(18)
No caso da análise contar com uma bobina com um número N de espiras, em vez de uma espira isolada, a equação anterior fica na forma
(19)
3.10 FÍSICA DOS EXPERIMENTOS
Esta seção contempla a relação entre os conceitos de Física apresentados nas seções anteriores com os experimentos utilizados durante a aplicação do trabalho.
3.10.1 ELETROÍMÃ
Um eletroímã é composto por um material ferromagnético, que em sua essência é um material que quando na presença de um campo magnético pode ser imantado, envolvido por um fio condutor no formato de um solenoide. Quando uma diferença de potencial é aplicada nas extremidades do solenoide, possibilitando que uma corrente elétrica o atravesse, um campo magnético é gerado nas redondezas do condutor, como apresentado na seção 3.8 “campo magnético produzido por um solenoide”, imantando o material ferromagnético usado no interior do conjunto, fazendo com que se comporte como um ímã natural enquanto a corrente elétrica continuar existindo. Se deixar de existir corrente elétrica atravessando o solenoide, o material ferromagnético no interior da montagem deixa de se comportar como um ímã natural.
O comportamento ferromagnético dos materiais pode ser representado como o resultado da ação de diminutos dipolos magnéticos, formados a partir do movimento orbital dos elétrons nos átomos desses materiais que proporcionam um momento angular de spin. Naturalmente quando não expostos a um campo magnético externo, uma interação de origem quântica chamada interação de câmbio pode alinhar uma parte dos spins de um material ferromagnético, formando algumas regiões com spins alinhados, essas regiões são conhecidas por domínios magnéticos, onde o momento dipolar magnético apresentará um valor diferente de zero.
Os domínios magnéticos de um material ferromagnético por natureza se encontram desalinhados, assim o campo magnético total deste material
normalmente é muito pequeno ou quase zero, porém quando na presença de um campo magnético externo, esses pequenos dipolos formados pelos domínios, podem se alinhar fazendo com que o material se comporte como um ímã natural, como demonstrado na figura 2 (HALLIDAY, 2010).
3.10.2 MOTOR HOMOPOLAR
Um motor homopolar consiste em um motor elétrico simples onde cargas elétricas em movimento interagem com um campo magnético, podendo ser montado de diversas formas. Para a construção de um motor homopolar os materiais necessários podem se constituir de uma pilha, um ímã de neodímio e um pedaço de fio de cobre rígido para fazer a condução da corrente elétrica. Este experimento é usado para demonstrar o princípio de funcionamento de um motor elétrico e comumente classificado como o motor mais simples do mundo (STEWART, 2007).
Figura 2 - Ilustração esquemática do funcionamento de um eletroímã
Uma das maneiras mais simples de montagem de um motor homopolar conta com um ímã de neodímio fixo em um polo da pilha e um cilindro em espiral formado com o fio de cobre fazendo contato entre o ímã e o polo oposto da pilha, este tipo de montagem pode ser considerada como um motor rotacional, de acordo com a definição de (DOFF, 2016):
Motores são dispositivos que convertem alguma forma de energia em energia mecânica. Especificamente os motores elétricos operam de modo a transformar a energia elétrica em energia cinética rotacional ou translacional. Motores elétricos cujo resultado é a energia cinética rotacional são denominados rotativos e são os mais convencionais (DOFF, 2016, pg. e2311-1).
A maior parte dos motores de corrente contínua convencionais necessitam de um comutador que reverta a direção do fluxo da corrente elétrica aplicada visando manter o conjunto em rotação. Porém, um motor homopolar, diferente dos motores convencionais, consegue manter a continuidade de sua rotação sem necessitar de um comutador, ou seja, sem reverter a direção do fluxo da corrente elétrica aplicada. A denominação homopolar é uma junção da palavra grega Homos, que significa “o mesmo”, e polaridade, de modo que um motor homopolar só precisa de um tipo de polaridade para poder funcionar, dispensando o uso de um comutador (STEWART, 2007).
Para determinar e analisar a rotação provocada ao realizar o experimento a regra da mão direita deve ser utilizada definindo o sentido em que a força magnética está agindo sobre o condutor atravessado por corrente elétrica na presença de um campo magnético externo. Como exemplificado na Figura 3, logo abaixo.
O arranjo configurado na Figura 4 é um exemplo de montagem de um motor homopolar simples. Neste caso, a espira que envolve a pilha (que está com um ímã de neodímio fixado no seu polo negativo) gira livremente. Ao inverter o polo do ímã que se encontra em contato com a pilha, a espira inverte o sentido de rotação, girando para o lado contrário.
Figura 3 - Ilustração esquemática do funcionamento de um motor homopolar simples.
Fonte: STEWART, 2007, p. 276.
Figura 4 - Motor homopolar.
Fonte: Produzido pelo autor.
3.10.3 CARRO HOMOPOLAR
O experimento do carro homopolar, comumente conhecido por homopolar roller (STEWART, 2007), é uma variante do experimento anterior, motor homopolar. Nesta montagem, dois ímãs de neodímio são fixados nos polos de uma pilha e esse conjunto pode ser abandonado sobre uma superfície plana condutora ou uma superfície plana qualquer usando um pedaço de fio de cobre rígido para fazer a condução entre os ímãs acoplados nos polos da pilha, provocando um movimento do conjunto através da superfície, no qual o conjunto (ímãs + pilha) rolará pela superfície em linha reta, imitando o movimento de um carro.
Para uma melhor compreensão do real motivo pelo qual o conjunto construído consegue se movimentar sobre a superfície, faz-se necessário analisar a força, representada na figura 5 como dF , que está agindo sobre cada elemento de comprimento dl do condutor que está sendo atravessado por uma corrente contínua i sob a presença de um campo magnético externo B , como apresentado anteriormente na seção 3.6 “Campo Magnético” ao demonstrar a equação da força gerada por uma corrente elétrica. Esta força pode ser expressa na forma:
Figura 5 - Ilustração esquemática do funcionamento de um carro homopolar.
dF=idl×B (20)
Para se obter a força total sobre o condutor deve-se integrar a expressão anterior através de um caminho C, logo:
F=i
∫
Cdl×B (21)
Deste modo, o torque total que está agindo sob o condutor pode ser expresso como:
T=i
∫
Cr×(dl×B) (22)
O torque resultante gerado pela força magnética analisada é o que torna possível o deslocamento do conjunto (pilha + ímãs) sob a superfície utilizada (STEWART, 2007).
3.10.4 TREM HOMOPOLAR
O experimento do trem homopolar é uma outra variante dos experimentos anteriores, motor homopolar e carro homopolar. Neste caso, um solenoide formado por fio de cobre desencapado ou estanho é construído desempenhando o papel de trilho para o conjunto, formado por uma pilha com ímãs de neodímio acoplados em seus polos (trem), se locomover em seu interior. É importante destacar que o fio utilizado precisa estar sem nenhuma isolação, pois impediria a circulação de corrente elétrica os ímãs, consequentemente entre os polos da pilha. Este experimento pode ser utilizado para exemplificar o funcionamento de um acelerador de partículas (DOFF, 2016).
O princípio de funcionamento desse experimento é semelhante ao dos anteriores, sendo baseado na polarização dos ímãs estarem alinhadas de tal forma que a força magnética aplicada aos dois ímãs esteja orientada para o mesmo sentido, devido a corrente elétrica i que percorre o solenoide, gerada pela pilha. Quando o conjunto (pilha + ímãs) se movimenta no decorrer do solenoide, a distribuição da corrente elétrica que percorre as espiras se movimenta com o
conjunto, assim existindo corrente elétrica apenas na parte do solenoide que se encontra o trem. Se a corrente elétrica fosse aplicada em todo o solenoide o experimento não funcionaria. Para que o aparato funcione o campo magnético ao qual os ímãs estão expostos não pode ser uniforme. Como nos experimentos anteriores o embasamento Físico para entender tal movimento consiste na análise da força magnética gerada a partir de uma corrente elétrica, seção 3.6 “Campo Magnético”.
A figura 6 ilustra como se configuram as forças magnéticas que fazem possível o movimento do conjunto (ímãs + pilha) através do solenoide.
Figura 6 - Ilustração esquemática do funcionamento de um trem homopolar.
4 METODOLOGIA
O local escolhido para a aplicação do estudo foi a Escola de Educação Básica de Araranguá, localizada na Avenida Getúlio Vargas, 544, na cidade de Araranguá, Estado de Santa Catarina, integra a Rede Pública e está vinculado ao Sistema Estadual de Ensino. No ano de 2018 a escola contou com atividades escolares nos três turnos e incluindo um total de 29 turmas entre estudantes de ensino médio e pós-médio (curso técnico). (PROJETO POLÍTICO PEDAGÓGICO DA ESCOLA DE EDUCAÇÃO BÁSICA DE ARARANGUÁ, 2018).
Esta proposta pedagógica foi aplicada a uma turma de terceiro ano (3º07) do período vespertino. Uma classe pequena, composta por doze estudantes, provenientes de localidades diferenciadas, podendo ser culturalmente classificada como uma turma heterogênea e que, na visão geral dos professores titulares, apresenta dificuldade no processo ensino/aprendizagem.
4.1 JUSTIFICATIVA
Por ser professor de Física, efetivo na escola escolhida para a aplicação do referido estudo, em um regime de 40 horas, nestes cinco anos de atividade, prioritariamente com terceiros anos do ensino médio, sempre percebi a dificuldade dos estudantes em relação a algumas temáticas da disciplina de física, principalmente quando se trata de eletromagnetismo.
O eletromagnetismo desempenha papel de extrema importância para a sociedade moderna, neste sentido os Parâmetros Curriculares Nacionais (PCN), ensino médio, apontam que:
A Ótica e o Eletromagnetismo, além de fornecerem elementos para uma leitura do mundo da informação e da comunicação, poderiam, numa conceituação ampla, envolvendo a codificação e o transporte da energia, ser o espaço adequado para a introdução e discussão de modelos microscópicos (BRASIL, 2000, p.26).
O PCN+ Ensino médio (Orientações Educacionais Complementares aos Parâmetros Curriculares Nacionais), no âmbito da Física, também corrobora com a importância do tema proposto ao afirmar que:
Grande parte dos aparelhos e equipamentos que fazem parte de nosso dia-a-dia requer energia elétrica para seu funcionamento, permitindo a execução de diferentes funções como iluminar, aquecer, esfriar, centrifugar, triturar, emitir sons e imagens, e assim por diante […] A compreensão do mundo eletromagnético que permeia nosso cotidiano é indispensável para possibilitar o uso adequado, eficiente e seguro de aparelhos e equipamentos, além de condições para analisar, fazer escolhas e otimizar essa utilização (BRASIL, 2002, p.24).
Deste modo, o ensino de eletromagnetismo no ensino médio se mostra fundamental para que o estudante entenda melhor o mundo que está a sua volta ao fazer a contextualização dos conceitos. O PCN+ nos orienta que “esse estudo deverá propiciar, ainda, a possibilidade de identificar e acompanhar o papel dos motores elétricos e dos desenvolvimentos tecnológicos associados à sua introdução no mundo produtivo”, reforçando a relevância do tema gerador escolhido para o desenvolvimento deste estudo, motores elétricos, ao tratar os conteúdos de eletricidade e magnetismo (BRASIL, 2002).
Ao expor os temas estruturantes para o ensino de Física, o PCN+ reafirma a importância do tema gerador deste, contando com uma unidade específica para tratar dos motores elétricos, a unidade 3.2. Nesta unidade são listados alguns aspectos importantes ao tratar do tema proposto, como:
• compreender fenômenos magnéticos para explicar, por exemplo, o magnetismo terrestre, o campo magnético de um ímã, a magnetização de materiais ferromagnéticos ou a inseparabilidade dos polos magnéticos; • reconhecer a relação entre fenômenos magnéticos e elétricos para explicar o funcionamento de motores elétricos e seus componentes, interações envolvendo bobinas e transformações de energia;
• conhecer critérios que orientem a utilização de aparelhos elétricos como, por exemplo, especificações do INMETRO, gastos de energia, eficiência, riscos e cuidados, direitos do consumidor etc (BRASIL, 2002, p.25).
A LEI Nº 9.394 (LDB), DE 20 DE DEZEMBRO DE 1996 que estabelece as diretrizes e bases da educação nacional, na seção IV acerca do ensino médio, orienta as finalidades desta etapa de ensino, afirmando no artigo IV deve ser proporcionado aos estudantes “a compreensão dos fundamentos científico-tecnológicos dos processos produtivos, relacionando a teoria com a prática, no ensino de cada disciplina”. (BRASIL, 1996)
Como o estudo foi idealizado e aplicado no estado de Santa Catarina, é de extrema importância buscar o que a Proposta Curricular do estado fala sobre o assunto tratado, procurando por mais vestígios de relevância do tema. Neste contexto, a PCSC aconselha que:
A terceira série será quase todo dedicado ao Eletromagnetismo, começando vantajosamente por um primeiro tratamento formal de sistemas resistivos e, em seguida, por sistemas motores, que são os dois grandes conjuntos de fenômenos com que iniciamos o aprendizado desta disciplina (SANTA CATARINA, 1998, p.137).
Em resumo, o ensino de eletromagnetismo utilizando motores elétricos como ideia âncora para a organização sequencial se mostra altamente relevante e incentivado nas propostas curriculares tanto a nível estadual, quanto nacional, demonstrando a importância da temática escolhida para o desenvolvimento deste trabalho. Não obstante, fica evidente que a escolha da turma é compatível com o sugerido na PCSC.
4.2 MÉTODO
Como no estado de Santa Catarina a disciplina de Física possui duas aulas de quarenta e cinco minutos semanais em sua grade curricular, a UEPS desenvolvida foi estruturada em semanas. As aulas da turma escolhida para a aplicação do estudo (3º07/2018), conforme horário estipulado no início do ano letivo,
aconteceram às terças-feiras das 13 horas às 14:30 (1ª e 2ª aula), sendo necessárias onze semanas (22 aulas) para a aplicação da UEPS.
Passos da UEPS Semana Atividades
Situação inicial – Organizador prévio
Semana 1 Atividade experimental 1 (eletroímã) e 2 (motor homopolar);
Vídeo da reportagem “Brasil terá linha de montagem de caminhões leves elétricos”;
Perguntar aos estudantes quais conceitos de física conhecidos por eles podem ser associados ao funcionamento de veículos elétricos. Anotar no quadro as palavras citadas para a retomada de discussão na semana seguinte.
Situações-problema iniciais
Semana 2 Aplicação do pré-teste;
Perguntar aos estudantes: a) O que você já sabe sobre veículos elétricos? b) Qual o combustível de um veículo elétrico e como ele é abastecido? c) Qual a diferença entre veículos elétricos e híbridos? d) Porque escolher um veículo elétrico? Incentivando a participação de cada estudante, sem esgotar o tema resgatando os conceitos levantados na semana anterior.
Semana 3 Fornecer texto: Magnetismo e Eletricidade; e disponibilizar
tempo para sua leitura;
Exibir vídeo para apresentar de uma forma rápida o que é um mapa mental e algumas estratégias básicas para sua construção;
Separar os estudantes em pequenos grupos para a discussão do texto e confecção de um mapa mental; Posteriormente recolher os mapas mentais e redistribuir para grupos diferentes para análise do mapa de outro grupo, pedindo para os estudantes sugerirem melhorias nos mapas dos colegas;
Cada grupo poderá fazer alterações nos seus mapas mentais e entregar a versão final para o professor na próxima aula.
Aprofundando conhecimentos
Semana 4 Exibir o vídeo sobre a história da Eletricidade;
Aula expositiva sobre os conceitos de Campo Elétrico e Potencial Elétrico com o auxílio de slides.
Semana 5 Fazer breve revisão dos conteúdos da aula anterior;
Aula expositiva sobre o conceito de Corrente Elétrica com o auxílio de slides.
Aula expositiva sobre o conceito de Magnetismo com o auxílio de slides. Nova situação-problema, em nível mais alto de complexidade
Semana 7 Apresentar uma mini-aula sobre o funcionamento de um
veículo elétrico, linkando os conceitos trabalhados com o tema gerador, de forma expositiva com o auxílio de slides, contando com a participação dos estudantes para discussões.
Semana 8 Fornecer texto: Os prós e contras dos carros elétricos; e
disponibilizar tempo para sua leitura;
Atividade: Comprar ou não um veículo elétrico?
Semana 9 Atividade experimental 3 (carro homopolar) e 4 (trem
homopolar).
Aula expositiva dialogada integradora
final
Semana 10 Aula expositiva sobre a Física envolvida nas atividades
experimentais realizadas;
Retomada de todo o conteúdo apresentado na UEPS.
Avaliação da aprendizagem e da
própria UEPS
Semana 11 Aplicação do pós-teste;
Grupo focal.
4.3 APLICAÇÃO DA UEPS
A UEPS foi aplicada durante os meses de setembro a dezembro de 2018, com início das atividades no dia 11/09/2018 e término no dia 04/12/2018. Ocupando o final do terceiro e todo o quarto bimestres letivos.
Figura 7 - Diário de classe referente ao 3º bimestre letivo do ano de 2018.
4.4 AVALIAÇÃO DA UEPS E AVALIAÇÃO DA RELEVÂNCIA DA UEPS
A coleta de dados utilizou instrumentos de pesquisa diversificados para uma maior confiabilidade dos dados e sempre buscando uma perspectiva qualitativa, tais como:
I) Pré-teste: foi composto por 4 questões abertas que abordavam tópicos gerais de eletricidade, magnetismo e, o tema gerador, veículos elétricos. Esse teste foi respondido na segunda semana de aplicação do estudo para entender o conhecimento prévio dos estudantes e construir as aulas seguintes com base nesses conhecimentos, bem como suas concepções alternativas. Para Cervo (2002), é comum encontrar em trabalhos relacionados a educação a utilização de questionários, principalmente por se tratar de uma ferramenta de coleta de dados com grande eficiência, proporcionando uma coleta de informações mais próximas da realidade. Figura 8 - Diário de classe referente ao 4º bimestre letivo do ano de 2018.
